硫化氫與炎性關節病相關研究進展

葉開祺　茅建春

【摘 要】 硫化氫是一種氣體信號分子。近年來研究表明，內源性硫化氫是一種重要的炎癥介質，外源性和內源性硫化氫能夠影響機體的炎癥反應，具有促炎和抑炎的雙向作用。硫化氫作為炎癥介質和其本身的生物效應在炎性關節病中具有重要意義，定義硫化氫在炎性關節病中的機制將有助于我們更好地了解疾病本質，并幫助針對這些疾病開發新治療方法。

【關鍵詞】 炎性關節??；硫化氫；炎癥介質；研究進展；綜述

硫化氫是一種無色、有毒、有臭雞蛋氣味的氣體。通過近幾年研究，硫化氫的概念已經從有毒的廢氣轉變為體內與生理病理密切相關的信號分子。內源性硫化氫主要由胱硫醚-γ-裂解酶（CSE）、胱硫醚-β-合成酶（CBS）和3-巰基丙酮酸硫轉移酶（3-MST）催化產生［1］。CSE和CBS催化半胱氨酸生成硫化氫，3-MST與半胱氨酸氨基轉移酶共同作用生成硫化氫。其他內源性硫化氫的生成途徑還包括葡萄糖的糖酵解和還原谷胱甘肽和硫元素等［2］。

硫化氫是一種親脂性分子，無需特定的轉運蛋白即可穿透細胞膜，因此它可以迅速擴散到細胞質內針對各種靶點發揮作用，充當體內生理病理過程的氣體介質，發揮生物效應［3］，清除活性氧（ROS）和活性氮（RNS），或者過硫化反應［4］。以往的眾多研究報道了其在體內炎癥反應的作用［5-7］，例如敗血癥、氣道炎癥、結腸炎、炎性關節病、神經炎癥等。硫化氫在炎性關節病中具有重要作用，是未來治療炎性關節病的潛在靶點之一。

慢性炎癥是炎性關節病的主要特征之一，慢性關節炎癥給不同年齡階段人群的生活質量帶來了巨大影響。硫化氫對關節炎癥的影響具有雙向性［8］，在不同濃度和不同硫化氫供體條件下，它可能是關節炎致病環節之一，也可能是潛在的治療靶點。

1 硫化氫與炎性關節病

1.1 硫化氫與類風濕關節炎（rheumatoid arthritis，RA） RA是一種慢性炎癥性自身免疫疾病，主要侵蝕關節和周圍組織，若沒有及時診治，將會引起關節畸形和功能喪失。同時，RA可伴有骨質疏松和其他臟器損害，包括心血管、肺和肝腎。RA發病機制仍未明確，目前的治療以改善病情抗風濕藥為主，難治性RA可選用生物制劑治療［9］。

ROS是含氧的高反應性化學物質，包括超氧化物、過氧化氫和羥基自由基等。一旦ROS的濃度高于生理正常值，則會造成氧化應激，導致基質降解、細胞死亡。在氧依賴機制下，中性粒細胞會產生大量的ROS消除病原體，RA患者關節滑液中富含中性粒細胞，在關節腔中會產生更多的ROS和羥基自由基，引起炎性轉錄因子的激活，誘導抗氧化蛋白和促炎因子的合成，加劇炎癥反應并且激活免疫細胞，在病理上表現為軟骨和滑膜炎癥［10］。以往的多項研究證明，硫化氫可以清除ROS?？寡趸镔|如半胱氨酸可以在硫化氫生成酶CBS和CSE的催化步驟中產生，可通過上調抗氧化物質起到清除ROS的作用，此外，外源性硫化氫在具有ROS的生理系統中已表現出強大的抗氧化和細胞保護能力［11］。

RA患者膝關節滑液中硫化氫水平不僅高于對照組血漿中的硫化氫水平，且顯著高于骨關節炎（osteoarthritis，OA）患者滑液中的硫化氫水平，關節滑液中的硫化氫水平與RA患者的炎癥水平和臨床癥狀程度呈正相關［12］。在角叉菜膠誘導的關節炎大鼠模型中，內源性硫化氫合成酶活性隨著炎癥程度增加，在用PAG（一種CSE抑制劑）干預后，大鼠后爪的關節水腫程度減輕，后爪關節中髓過氧化物酶（MPO）活性降低［13］。高濃度的硫化氫可以通過p38、ERK1/2以及NF-κB通路提高RA患者成纖維樣滑膜細胞中致炎細胞因子的表達，誘導RA的關節炎癥反應［8］。一項對脂多糖（LPS）處理的小鼠RAW264.7巨噬細胞的研究表明，硫氫化鈉（NaHS）對促炎介質產生雙向效應，在高濃度時，增加了IL-1β、IL-6、NO、前列腺素E2（PGE2）和腫瘤壞死因子-α（TNF-α）等促炎介質的合成。而通過供體緩慢釋放硫化氫，不僅抑制了上述促炎介質的合成，還能通過NF-κB/ATF-2/HSP-27信號通路上調抗炎趨化因子IL-10的表達［14］。在用LPS干預的THP1細胞中，用NaHS預處理可抑制IL-6和TNF的產生。NaHS釋放的硫化氫可以通過調節組蛋白修飾，從而調節IL-6和TNF-α啟動子［15］。

1.2 硫化氫與OA OA是最常見的關節疾病之一，但病理過程復雜，不僅涉及關節軟骨，而且涉及整個關節的機械運動和生理病理過程。目前，治療OA以緩解癥狀和改善關節功能為主，包括物理治療、鎮痛和手術干預［16］。硫化氫對多種退行性疾病的炎癥和細胞凋亡具有抑制作用，CSE和CBS也被證實存在于軟骨細胞中［17］。給予硫化氫供體GYY-4137刺激OA模型的軟骨細胞，可以發揮抗炎和抗分解的作用。實驗結果顯示，在LPS刺激人滑膜細胞或關節軟骨細胞后1 h和6 h添加GYY4137會減少TNF-α的生成，此外還可以降低由LPS誘導產生的亞硝酸鹽、PGE2，降低一氧化氮合酶和COX-2的水平和活性［18］。VAAMONDE-GARC?A等［19］通過給OA模型大鼠關節腔注射GYY-4137后發現，治療組關節功能和疼痛程度得到改善，炎性介質例如過氧化物合酶、誘導型一氧化氮合酶和基質金屬蛋白酶-13的表達降低。內源性硫化氫在OA的發病機制中，對白細胞介素（IL）-1β誘導的軟骨細胞代謝和分解具有保護作用，硫化氫可分別通過選擇性抑制軟骨細胞中的PI3K/AKT/NF-κB和MAPK信號通路拮抗IL-1β誘導的炎癥和線粒體功能障礙相關的細胞凋亡［20］。在OA模型中，經過3-MST/H2S產生的硫化氫可以防止關節鈣化和減輕OA模型小鼠的關節損傷程度，3-MST敲除的小鼠關節鈣化和軟骨退化程度比野生型小鼠更加嚴重［21］。此外，CBS缺乏會導致骨質疏松，誘發OA［22］。關節中硫化氫的生物合成酶受損可能是OA的一個促成因素［23］。

1.3 硫化氫與痛風性關節炎 痛風性關節炎是因血尿酸升高，導致尿酸鹽結晶（MSU）在關節沉積引起的，患病率在全球范圍內超過2%［24］。MSU沉積誘導單核細胞表達Toll樣受體，并誘導NLRP3炎性小體活化，從而激活Caspase-1和IL-1β的生成，成熟的IL-1β是許多免疫反應中的促炎介質，與痛風性關節炎的發病機制密切相關［25］。一項由尿MSU誘導NLRP3炎性小體的研究表明，外源性硫化氫可以抑制MSU誘導的黃嘌呤氧化酶（XO）/Caspase-1的活性，并抑制隨后由XO產生的線粒體ROS，減少氧化應激。Caspase-1是外源性硫化氫的靶點之一，Caspase-1的活性位點Cys 163具有半胱氨酸，該半胱氨酸和其他半胱氨酸的硫化作用可抑制Caspase-1的活性；同時，該研究發現，CSE敲除后，黃嘌呤氧化酶（XO）/Caspase-1的活性和IL-1β的分泌高于野生型模型，增加外源性硫化氫或刺激內源性硫化氫的生成，具有治療痛風性關節炎的潛力［26］。痛風性關節炎源于體內嘌呤代謝異常，是代謝相關性疾病，近年來與腸道菌群的研究密切聯系，研究者通過計算機模擬預測腸道微生物群的終產物，表明硫化氫可能是痛風性關節炎新的代謝標志物［27］。硫化氫在代謝和抑炎通路層面與痛風性關節炎具有一定相關性，多方面參與痛風性關節炎的發病過程。

上述研究表明，關節炎癥中硫化氫合成的增加，可能代表著一種新的內源性機制控制、限制或者解決炎癥，仍需要大量的研究來證實這一點。

2 供體研究和臨床應用

2.1 硫化氫供體研究 硫化氫對炎癥過程的影響是復雜的，不僅依賴于硫化氫濃度，還依賴于硫化氫的生成速率，因此硫化氫在改善關節炎癥的作用中仍然是矛盾的，合適的濃度和硫化氫供體的選擇存在爭議。通過研究和選擇使硫化氫以合適濃度和速率緩慢釋放的供體，讓硫化氫的供體可以作為潛在治療關節炎的藥物，將是今后的一個研究趨勢［28］。硫化氫的供體包括NaHS、Na2S、GYTT4137、SPRC、硫化氫氣體飽和溶液等。由于NaHS和Na2S的水溶性和便利性，使其作為研究者模擬硫化氫生物效應的有效供體，但是它們仍存在一定局限性。NaHS和Na2S通過短效、快速溶解釋放硫化氫，可能會在細胞中產生濃度過高導致毒性的硫化氫，從而誘導炎癥的加重，甚至產生其他的病理損傷。同時，NaHS和Na2S仍屬于化學試劑范疇，不利于直接應用于臨床，相比之下，其他硫化氫供體，例如GYTT4137、SPRC等具有相對緩慢釋放硫化氫的作用。YU等［29］利用介孔二氧化硅納米粒子材料搭載SPRC，實現了硫化氫緩釋的作用。通過激活CSE/H2S，對佐劑誘導的關節炎大鼠具有減輕骨侵蝕、減緩炎癥的作用。同時，該研究團隊還利用聚乳酸搭載SPRC，通過SPRC@PLA的方式對RA大鼠模型起到了更好的治療效果，使得大鼠關節的腫脹程度和關節炎癥評分均得到顯著抑制［30］。

2.2 臨床應用 利用硫化氫治療炎性關節病的一種輔助療法是藥浴療法［31］。含硫膠體或含硫和硫酸鹽礦物水中的活性分子是硫化氫，藥浴治療時硫化氫分子通過滲透皮膚發揮功效［32］。在對OA患者用含硫礦物泥敷和硫磺浴后發現，超氧化物歧化酶和過氧化氫酶活性降低，反映出氧化應激水平的降低［33］，有助于減輕軟骨炎癥及分解代謝水平。在治療結束時，治療組血紅蛋白水平顯著升高，疼痛程度顯著降低。一項研究通過OA實驗模型評估含硫水浴療法的效果，模型小鼠的關節活動度和疼痛水平在水浴后得到改善，通過免疫組化顯示軟骨中的基質金屬蛋白酶-13和氧化應激標志物水平降低［34］。盡管上述藥浴療法已被證明具有改善臨床癥狀的作用，但該方法仍停留在保健與輔助治療層面，其背后的機制仍需進一步研究，如藥浴方式及成分的多樣性、差異性，以及硫化氫分子在藥浴療法中的具體作用機制。硫元素是最常見的化學元素之一，硫衍生的化學官能團具有多種藥理學特性，許多藥物如鎮痛藥、抗炎藥等都存在含硫的化學官能團，硫已成為繼碳、氫、氧和氮之后第五重要的化學元素，在臨床藥物開發和應用中具有巨大的價值和潛力［35］。在我國，硫磺作為一種中藥也被用于臨床治療關節炎，外用硫磺粉劑或含硫黃藥劑具有一定療效。此外，一些天然產物能夠釋放硫化氫，如十字花科植物和大蒜等［36-37］。目前，十字花科的中藥材與食材，以及薤白等中藥飲片也廣泛應用于中醫臨床的調治。

3 小 結

目前，對硫化氫的研究大部分仍是在人類疾病動物模型和細胞模型上進行的，盡管大量的研究已積極促進人們對硫化氫作為炎癥介質的認識，但仍具有局限性，將其轉化為臨床是硫化氫研究領域的另一個挑戰。對于硫化氫作為促炎介質的疾病模型，需要研究和評估硫化氫及硫化氫相關合成酶抑制劑；另一方面，當硫化氫作為抑炎介質時，硫化氫的濃度、硫化氫供體的選擇以及藥物濃度曲線等因素還有很多的空間去研究。硫化氫作為炎癥介質的機制將有助于我們更好地了解炎癥疾病，尤其是炎性關節病，上述的研究一定程度證明了硫化氫在炎性關節病中臨床轉化的巨大潛力。著眼于硫化氫作為治療炎性關節病的關鍵介質和靶點，有助于我們理解這些疾病中存在的復雜問題，并幫助開發新型治療方法，拓寬治療方案和提高療效。

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收稿日期：2023-02-05；修回日期：2023-03-28